oofdstuk - Alkanen 5 Alkanen Alkanen n n+ Alkanen zijn koolwaterstoffen (moleculen waarin enkel koolstof- en waterstofatomen voorkomen) waarin de koolstofatomen uitsluitend aan elkaar gebonden zijn door enkelvoudige covalente bindingen. Alkaan Lewisformule Zaagtandformule methaan ethaan propaan butaan pentaan hexaan heptaan octaan
Alkaan Lewisformule Zaagtandformule nonaan decaan Alkaan Brutoformule Gecondenseerde formule Bolkapmodel t s ( ) t k ( ) Aggr. methaan 4 8 64 g ethaan 6 3 3 83,3 88,6 g propaan 3 8 3 3 89,7 4, g n-butaan 4 0 3 3 38,4 0,5 g n-pentaan 5 3 ( ) 3 3 30 36, vl n-hexaan n-heptaan n-octaan n-nonaan n-decaan 6 4 3 ( ) 4 3 7 6 3 ( ) 5 3 8 8 3 ( ) 6 3 9 0 3 ( ) 7 3 0 3 ( ) 8 3 95 69 vl 90,6 98,4 vl 56,8 5,7 vl 5 50,8 vl 9,7 74, vl Methaan is het eenvoudigste alkaan en meteen ook de eenvoudigste organische molecule, bestaande uit één koolstofatoom waaraan vier waterstofatomen gebonden zijn met enkelvoudige covalente bindingen. Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas (80-95%). et ontstaat ook bij sommige gistingsprocessen (modder van sloten en rivieren, gisting in de Afb. Methaan: 6 oofdstuk tetraëdrisch - Alkanen
oe groter het contactoppervlak, hoe hoger smelten kookpunt. Voorbeeld n-pentaan t s : 30 t k : 36 Afb. neopentaan t s : 7 t k : 0 pensmaag van herkauwers, gisting van slib in afvalwaterzuiveringstations, ). Met lucht kan het zeer explosieve mengsels vormen. et wordt vooral gebruikt als brandstof, maar ook als grondstof voor de synthese van sommige andere stoffen. et koolstofatoom in een methaanmolecule is tetraëdrisch: de vier waterstofatomen bevinden zich op de toppen van een tetraëder waarvan het koolstofatoom het middelpunt vormt. De hoek tussen twee -bindingen is 09 8 groot. et koolstofatoom is in de alkaanketen sp 3 - gehybridiseerd. Alkanen zijn verzadigde acyclische koolwaterstoffen: de moleculen bestaan enkel uit koolstof- en waterstofatomen (koolwaterstoffen), er komen uitsluitend enkelvoudige bindingen in voor (verzadigde) en de koolstofketen is niet gesloten (acyclisch). Een hoger alkaan krijgen we door één koolstofatoom en twee waterstofatomen (- -) toe te voegen aan het vorige. De alkanen vormen een homologe reeks met als algemene formule n n+. De eerste vier alkanen zijn (bij normale omstandigheden) gassen. Vanaf pentaan t.e.m. hexadecaan 6 34 zijn het vloeistoffen. Vanaf heptadecaan 7 36 zijn het vaste stoffen. Merk ook op dat het kookpunt stijgt en de stof dus minder vluchtig is naarmate de ketenlengte en contactoppervlak (Afb. ) toeneemt. Dit kan verklaard worden door het toenemen van de cohesiekrachten naarmate de moleculen en dus ook hun massa groter worden. oe groter de massa van de moleculen, hoe moeilijker ze de vloeistoffase kunnen verlaten. Isomerie Butaan heeft als formule 4 0. Met vier koolstof- en tien waterstofatomen kunnen echter twee verschillende moleculen worden samengesteld: 3 3 n-butaan () 3 3 3 -methylpropaan () In de eerste molecule is de koolstofketen niet vertakt: we noemen het normaal-butaan of n-butaan. In de tweede molecule telt de langste koolstofketen slechts drie koolstofatomen en is het vierde koolstofatoom gebonden aan het middelste: we noemen dit methylpropaan of isobutaan. Beide stoffen zijn isomeren: ze hebben dezelfde brutoformule 4 0 en toch een verschillende structuur en dus verschillende eigenschappen. In bovenstaand voorbeeld verschilt enkel de vorm van de koolstofketen. We spreken dan van ketenisomeren. oofdstuk - Alkanen 7
Isomeren zijn moleculen met dezelfde brutoformule 4 0, maar een verschillende structuur. Ketenisomeren zijn moleculen waarbij enkel de vorm van de koolstofketen verschilt. In de organische chemie zegt een brutoformule dus meestal niet genoeg. We moeten dus in de meeste gevallen de structuur van de molecule op een of andere manier weergeven. Andere voorbeelden 5 3 3 n-pentaan 3 3 4 3 3 isopentaan -methylbutaan 3 3 3 3 3 neopentaan,-dimethylpropaan Een kortere voorstelling van de structuren hierboven is de volgende: Deze voorstellingen, de zaagtandvoorstelling genoemd, verkrijgen we door zowel de -atomen als de -atomen uit de moleculen weg te laten. Enkel de bindingen tussen de -atomen worden geschreven. Als je deze streepjesformule ziet, dan kan je ze als volgt vervolledigen:. schrijf een -atoom aan het begin en het einde van elke streep en ook in het snijpunt van twee of meer strepen:,. bind aan elk -atoom voldoende -atomen, zodat elk -atoom vier bindingen draagt. De bekomen formule noemt men de lewisformule of structuurformule. Ze kan de juiste bindingshoeken weergeven, maar dat is niet noodzakelijk. 8 oofdstuk - Alkanen
6 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 n-hexaan -methylpentaan 3-methylpentaan,-dimethylbutaan 3 3 3 3 3,3-dimethylbutaan In bovenstaande voorbeelden bevat(ten) de zijketen(s) telkens slechts één koolstofatoom: 3 of methyl. De naam van het 3 -radicaal is afgeleid van methaan. Zijketens kunnen ook meerdere koolstofatomen bevatten: 3 of 5 of ethyl- (afgeleid van ethaan 6 ): 3 3 3-ethylpentaan 3 3 3 3 3-ethyl--methylpentaan 3 Alkylradicalen zijn (,)-groepen die afgeleid zijn van alkanen waaruit één -atoom is weggelaten. methaan 4 3 methylethaan 3 3 6 3 5 ethylpropaan 3 3 3 8 3 3 7 propyl Met 7 6 als brutoformule kunnen 9 isomeren geschreven worden. Doe dat en tracht ze ook een naam te geven. oofdstuk - Alkanen 9
3 Nomenclatuur van de alkanen. Zoek de langste, niet-vertakte koolstofketen. Dit is de hoofdketen. Indien er meerdere mogelijkheden zijn, kies dan voor de hoofdketen met de meeste vertakkingen. et aantal koolstofatomen in deze keten bepaalt de stamnaam.. Voor alkanen wordt de stamnaam aangevuld met de uitgang aan. 3. Nummer de hoofdketen zodanig dat de som van de plaatscijfers van de substituenten zo klein mogelijk is. Indien de twee mogelijkheden een gelijke som opleveren, geef dan de laagste plaatscijfers aan de zijketens die alfabetisch eerst komen. 4. Noem de radicalen die op de keten staan voor de naam: in alfabetische volgorde, eventueel met voorvoegsels die het aantal substituenten weergeven, voorafgegaan door plaatscijfers (één voor elke substituent). 5. Voor de bepaling van de alfabetische volgorde worden de telvoorvoegsels die het aantal groepen weergeven, niet meegerekend (dimethyl = M). De andere voorvoegsels die hieronder voorkomen (iso = I, sec- = S, tert- = T) worden wèl meegerekend. Voor volgende alkylgroepen worden ook de volgende namen gebruikt: Stamnamen meth- eth- 3 prop- 4 but- 5 pent- 6 hex- 7 hept- 8 oct- 9 non- 0 dec- Afb. 3 Stamnamen Telvoorvoegsels di 3 tri 4 tetra 5 penta 6 hexa 7 hepta 8 octa 9 nona 0 deca 3 3 3 3 3 3 3 3 Afb. 4 Telvoorvoegsels isopropyl- isobutyl- sec-butyl- tert-butyl- Voorbeeld 3 3 4 5 6 7 8 3,4-diethyl-3,5,6,6-tetramethyloctaan 4 Fysische eigenschappen van de alkanen Vermits alkaanmoleculen apolair zijn hebben de alkanen lage smelt- en kookpunten en zijn ze zeer weinig oplosbaar in water (polair oplosmiddel). 5 hemische eigenschappen van de alkanen De -bindingselektronen tussen de koolstofatomen onderling en tussen de koolstof- en waterstofatomen komen niet gemakkelijk tot reactie. In tegenstelling tot -bindingselektronen is de bewegingsvrijheid van deze elektronen eerder beperkt: ze worden namelijk op hun plaats gehouden door de sterke aantrekkingskrachten die uitgaan van beide gebonden atoomkernen. Bovendien zijn het apolaire moleculen waardoor geladen reagentia helemaal niet worden aangetrokken. 0 oofdstuk - Alkanen
Afb. 5 Boorplatform Afb. 6 Oliepijpleiding in Alaska Afb. 7 Aardgastanker Methania Deze beide factoren verklaren de vroegere naam paraffinen (parum = tegen/ affinis = affiniteit, chemische reactiviteit). Bij de oxidatie- of verbrandingsreactie van alkanen (de meest voorkomende reactie bij de alkanen) wordt de koolstofketen vernietigd: n n+ + 3n O n O + (n+) O 4 + O O + O 6 + 7/ O O + 3 O 3 8 + 5 O 3 O + 4 O Eén reactie, waarbij de koolstofketen behouden blijft, is de homolytische substitutiereactie, waarbij -atomen vervangen worden door halogeenatomen. Deze reactie bespreken we in het hoofdstuk over de halogeenalkanen. 6 Gebruik en toepassingen van de alkanen De wereldenergievoorziening steunt in hoge mate op de verbranding van aardolieproducten en aardgas, die voornamelijk uit alkanen bestaan. Deze grondstoffen vormen daarenboven de basis van de hele petrochemie, waaruit producten ontstaan die uit de moderne samenleving niet meer weg te denken zijn. Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas. Methaan wordt vaak via tankschepen aangevoerd. In streken waar geen aardgasleiding ligt, wordt vaak propaan als brandstof gebruikt. Butaan wordt in stalen flessen verkocht: kookvuren, campinggas. L.P.G. (Liquid Petroleum Gas) is een gasmengsel dat in de raffinaderij uit aardolie gewonnen wordt. et bestaat uit alkanen met drie en/of vier - atomen en wordt aangewend als motorbrandstof. Benzine bevat zowat driehonderd verschillende verbindingen, meestal alkanen ( 7-8 ). Kerosine, gasolie, stookolie (brandstof voor diesel- of reactiemotoren): bevaten hoofdzakelijk alkanen ( 0-6 ). Nog enkele andere toepassingen van alkanen paraffinekaarsen oplosmiddelen voor organische stoffen (white spirit) smeeroliën bitumen (asfalft voor wegbedekking, roofing) Wat wint men uit ruwe petroleum? Product Gallons per barrel barrel = 3,5 gallon = 9 L gallon = 3,785 L Benzine 9.5 Afb. 8 - Benzine Diesel en Stookolie 9. Kerosine 4.3 oofdstuk - Alkanen
7 ycloalkanen Zware stookolie.3 Propaan & Butaan.9 Asfalt.3 Petrochemische grondstoffen. Smeermiddelen 0.5 Andere 0.3 Uiteraard kunnen bij alkanen ook gesloten ketens voorkomen. Men spreekt dan van cycloalkanen.. Gebruik het voorvoegsel cyclo voor de naam van het overeenstemmende alkaan. et aantal koolstofatomen in deze keten bepaalt de stamnaam.. Bij vertakte cycloalkanen gebeurt de benaming en de nummering van de zijketens volgens de regels die bij de vertakte alkanen gelden. 3. Een cyclisch alkaan kan ook als cycloalkylrest, als substituent voorkomen. cyclopropaan cyclobutaan cyclopentaan cyclohexaan cycloheptaan -ethyl-- methylcyclohexaan 3 4 -isopropyl-,4- dimethylcyclohexaan 3-cyclopentylpentaan In de natuur komen cyclopropaan en cyclobutaan niet voor, cyclopentaan en cyclohexaan wel. De zesringen zijn het talrijkst. Dit heeft alles te maken met de stabiliteit van de ringstructuren. 3 4 5 oofdstuk - Alkanen